CN109759160A - 一种生物芯片用试剂定量加入方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物芯片用试剂定量加入方法及***，其中试剂定量加入方法包括：位移驱动单元驱动生物芯片试剂腔内的柱塞以速度V1匀速向下移动；柱塞匀速向下移动的过程中，计算从试剂腔滴液口滴落的液滴的总数量；当液滴总数量等于预设值时，位移驱动单元停止驱动柱塞向下移动；当液滴总数量等于预设值减1时，位移驱动单元驱动柱塞以速度V2匀速向下移动，其中V2小于或等于V1；在柱塞匀速向下移动之前，预先在试剂腔滴液口下方标定识别区；在柱塞匀速向下移动的过程中，实时获取识别区的图像，根据识别区的图像识别结果判定是否有液滴滴落。本发明能够精确控制加入反应器内的试剂量，定量加入精度高，对生物芯片整体要求低，成本低廉，易于实现。

Description

一种生物芯片用试剂定量加入方法及***

技术领域

本发明属于生物芯片检测领域，特别涉及一种生物芯片用试剂定量加入方法及***。

背景技术

试剂（样本）精准定量是所有自动化分析检测仪器输出准确结果的重要前提。目前，市场上自动化分析仪器实现试剂（样本）定量一般是通过微量定量针、精密泵或者精密电机驱动来实现。试剂（样本）定量的精度将直接影响到测试结果的重现性和准确性。微量定量针本身较为小巧精密，价格不菲，一般情况下一台仪器只能配备少数几根；并且用定量针吸取不同的试剂（样本）往往需要进行多次重复洗针操作，耽搁时间，还有带来试剂（样本）交叉污染的风险。通过精密电机控制行程的方式来实现试剂（样本）定量对精度要求高，成本高昂，速度也比较慢，尤其是较大容量液体试剂的定量加入速度更慢。也有很多大型的仪器设备使用精密注射泵来实现微量液体试剂（或样本）的定量，但是这需要对注射速度或者注射泵的行程进行精密控制。也有的通过注射泵推动液体在出口处形成微小液滴来实现定量。其具体过程是在微量液体的定量过程中对液滴的大小（直径、半径等）进行检测，如果与预先设置的液滴大小不符，则通过调整注射泵的注射速度来改变液滴大小。这样做最终虽能获得想要的液滴大小，但是必然要经历一个调整期，对液滴的大小进行校正操作，然后才能稳定输出一定大小的液滴。如果遇到需要定量加入多种微量试剂的情形，则必然要对注射泵及其管路进行清洗，或者使用多套设备；前者清洗过程耗费时间，并且换不同的试剂后需要对液滴大小进行校正调整，而后者因注射泵成本高昂，使用多套设备则很不经济。此外，注射泵价格昂贵，体积相对较大，一般比较适合用在价值较高的大型仪器上。

近年发展起来的微流控生物芯片作为一次性耗材，体积较小，其内部空间根本无法放置注射泵这样体积较大的精密部件，且芯片是一次性的，不会重复使用，成本上也不允许。因此，在生物芯片内部，试剂（样本）定量无法通过内部加泵的方式来实现，需要开发其它操作简单、易于实现且价格低廉的试剂定量新技术。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种生物芯片用试剂定量加入方法及***，不仅能够精确控制加入一次性芯片反应器内各试剂的量，而且试剂定量加入精度高，对生物芯片整体要求低，结构简单，成本低廉，易于实现，有利于生物芯片检测技术的发展。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种生物芯片用试剂定量加入方法，包括：

位移驱动单元驱动生物芯片试剂腔内的柱塞以速度V1匀速向下移动；

其特点是：柱塞匀速向下移动的过程中，计算从试剂腔滴液口滴落的液滴的总数量；当液滴总数量等于预设值时，位移驱动单元停止驱动柱塞向下移动。

进一步地，当液滴总数量等于预设值减1时，位移驱动单元驱动柱塞以速度V2匀速向下移动，其中V2小于或等于V1。

作为一种优选方式，在柱塞匀速向下移动之前，预先在试剂腔滴液口下方标定识别区；在柱塞匀速向下移动的过程中，实时获取识别区的图像，根据识别区的图像识别结果判定是否有液滴滴落。

作为一种优选方式，当识别区的图像灰度值经历了从小变大再从大变小的过程时，则判定有一液滴滴落。

进一步地，当液滴总数量等于预设值时，位移驱动单元停止驱动柱塞向下移动；同时，位移驱动单元驱动柱塞沿试剂腔轴线向上移动一段距离。

作为一种优选方式，预设值由下述方法确定：

首先，制作试剂腔，当位移驱动单元驱动生物芯片试剂腔内的柱塞以速度V1匀速向下移动时，计算从试剂腔液滴口滴落的单滴液滴的体积m；

然后，用需要加入的目标试剂量除以m，得到的商取整即得到液滴预设值；其中，m小于或等于需要加入的目标试剂量。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种生物芯片用试剂定量加入***，生物芯片的试剂腔内设有柱塞，位移驱动单元与柱塞驱动相连，其特点是还包括控制器和用于计算从试剂腔滴液口滴落的液滴总数的计数器，计数器的输出端与控制器的输入端电连接，控制器的输出端与位移驱动单元的控制端电连接，其中，

位移驱动单元：用于根据控制器的控制指令驱动柱塞沿试剂腔轴向匀速移动；

控制器：用于发出控制指令至位移驱动单元以控制柱塞沿试剂腔轴向匀速移动；并用于接收计数器的检测数据，并在计数器检测到的液滴总数量等于预设值时，发出控制指令至位移驱动单元以控制柱塞停止向下移动；

控制器内预设有预设值。

进一步地，控制器还用于在计数器检测到的液滴总数量等于预设值减1时，发出控制指令至位移驱动单元以控制柱塞以速度V2匀速向下移动，其中V2小于或等于柱塞的初始速度V1。

作为一种优选方式，所述计数器为摄像识别单元，摄像识别单元的输出端与控制器的输入端电连接；试剂腔滴液口下方标定有识别区，其中，

摄像识别单元：用于实时获取识别区的图像，并根据识别区的图像识别结果判定是否有液滴滴落，以计算从试剂腔滴液口滴落的液滴的总数量；

控制单元：用于根据摄像识别单元检测到的液滴总数量发出控制指令至位移驱动单元。

作为一种优选方式，当摄像识别单元检测到识别区的图像灰度值经历了从小变大再从大变小的过程时，则判定有一液滴滴落。

进一步地，控制单元还用于在液滴总数量等于预设值时，发出控制指令至位移驱动单元以驱动柱塞沿试剂腔轴线向上移动一段距离。

通过实验发现，只要一次性生物芯片上滴液口的形状尺寸（如壁厚）一旦确定，对同种液体试剂而言，在滴出速度相差不多的情况下，其液滴大小基本恒定，只要滴数控制准确就能实现极高精度的试剂（样本）定量加入（多次重复测试的CV值小于2%）。

作为一种优选方式，控制器内预设值的确定方法为：首先，制作试剂腔，当位移驱动单元驱动生物芯片试剂腔内的柱塞以速度V1匀速向下移动时，计算从试剂腔液滴口滴落的单滴液滴的体积m；然后，用需要加入的目标试剂量除以m，得到的商取整即得到液滴预设值；其中，m小于或等于需要加入的目标试剂量。

与现有技术相比，本发明通过对试剂腔滴液口滴落的液滴进行识别和计数，在达到预设滴数时反馈控制柱塞停止向下移动，从而精确控制加入反应器内的试剂的量，试剂定量加入精度高，对位移驱动单元（如步进电机）的精度要求不高，对芯片内部微流管路形状和一致性要求不高，仅对试剂腔滴液口的一致性有较高要求，而试剂腔滴液口可以用模具轻易实现批量加工，一致性好，且成本低廉，易于实现，有利于生物芯片检测技术的发展。

附图说明

图1为本发明生物芯片用试剂定量加入方法一实施方式流程图。

图2为本发明生物芯片用试剂定量加入***一实施例结构示意图。

图3为液滴经过识别区时的状态变化示意图。

其中，1为试剂腔，101为识别区，2为柱塞，3为位移驱动单元，301为电机驱动单元，302为步进电机，4为控制器，5为计数器，6为光源，7为反应器。

具体实施方式

如图1所示，生物芯片用试剂定量加入方法包括：

位移驱动单元3驱动生物芯片试剂腔1内的柱塞2以速度V1匀速向下移动；

柱塞2匀速向下移动的过程中，计算从试剂腔1滴液口滴落的液滴的总数量；当液滴总数量等于预设值时，位移驱动单元3停止驱动柱塞2向下移动；其中，预设值由下述方法确定：

首先，针对不同种类试剂的用量及其性质，通过理论计算和实验验证相结合的方式设计制作试剂腔1及其出口处的滴液口，以获得既定大小的试剂液滴。当位移驱动单元3驱动生物芯片试剂腔1内的柱塞2以速度V1匀速向下移动时，从试剂腔1滴液口滴落的单滴液滴的体积为m，获得m的大小。其中，m的数值大小与试剂自身的性质、试剂腔1滴液口的尺寸（内径、壁厚等）有关；对同种试剂而言，只要试剂腔1及其滴液口的尺寸一致，那么在柱塞2的移动速度相近的条件下，m的数值基本恒定。

然后，用需要加入的目标试剂量除以m，得到的商十分接近于一个整数，取整即得到液滴预设值；其中，m小于或等于需要加入的目标试剂量。

当液滴总数量等于预设值减1时，位移驱动单元3驱动柱塞2以速度V2匀速向下移动，其中V2小于或等于V1，从而保证在最后一滴液滴从试剂腔1滴液口滴出时在滴液口处残留较少，使得柱塞2回退归位时能够将残留在滴液口处的试剂吸回。

本发明中，要求V1和V2值能够使得液滴的滴出速度较慢，必须能够在滴液口处形成明显的液滴，从而使得液滴从滴液口的滴出速度不超过3滴/秒。如若V1或V2值过大，造成滴液口液滴滴出速度超过3滴/秒，可能会给液滴识别造成困难。

在柱塞2匀速向下移动之前，预先在试剂腔1滴液口下方标定识别区101；在柱塞2匀速向下移动的过程中，实时获取识别区101的图像，根据识别区101的图像识别结果判定是否有液滴滴落。

由于液体滴落时，识别区101的图像灰度变化特征将会是由暗变亮，再由亮变暗，因而当识别区101的图像灰度值经历了从小变大再从大变小的过程时，则判定有一液滴滴落。

当液滴总数量等于预设值时，位移驱动单元3停止驱动柱塞2向下移动；同时，位移驱动单元3驱动柱塞2沿试剂腔1轴线向上移动一段距离。

如图2所示，生物芯片用试剂定量加入***中，生物芯片的试剂腔1内设有柱塞2，位移驱动单元3与柱塞2驱动相连，其特点是还包括控制器4和用于计算从试剂腔1滴液口滴落的液滴总数的计数器5，计数器5的输出端与控制器4的输入端电连接，控制器4的输出端与位移驱动单元3的控制端电连接，其中，

位移驱动单元3：用于根据控制器4的控制指令驱动柱塞2沿试剂腔1轴向匀速移动；

控制器4：用于发出控制指令至位移驱动单元3以控制柱塞2沿试剂腔1轴向匀速移动；并用于接收计数器5的检测数据，并在计数器5检测到的液滴总数量等于预设值时，发出控制指令至位移驱动单元3以控制柱塞2停止向下移动；

控制器4内预设有预设值，其中预设值确定方法为：首先，制作试剂腔1，当位移驱动单元3驱动生物芯片试剂腔1内的柱塞2以速度V1匀速向下移动时，计算从试剂腔1液滴口滴落的单滴液滴的体积m；然后，用需要加入的目标试剂量除以m，得到的商取整即得到液滴预设值；其中，m小于或等于需要加入的目标试剂量。

控制器4还用于在计数器5检测到的液滴总数量等于预设值减1时，发出控制指令至位移驱动单元3以控制柱塞2以速度V2匀速向下移动，其中V2小于或等于柱塞2的初始速度V1。

所述计数器5为摄像识别单元，摄像识别单元的输出端与控制器4的输入端电连接；试剂腔1滴液口下方标定有识别区101，其中，

摄像识别单元：用于实时获取识别区101的图像，并根据识别区101的图像识别结果判定是否有液滴滴落，以计算从试剂腔1滴液口滴落的液滴的总数量；

控制单元：用于根据摄像识别单元检测到的液滴总数量发出控制指令至位移驱动单元3。

当摄像识别单元检测到识别区101的图像灰度值经历了从小变大再从大变小的过程时，则判定有一液滴滴落。

图3中示出了液滴经过识别区时的状态变化。

控制单元还用于在液滴总数量等于预设值时，发出控制指令至位移驱动单元3以驱动柱塞2沿试剂腔1轴线向上移动一段距离。

生物芯片用试剂定量加入***采用24V直流电源。

位移驱动单元3包括电机驱动单元301和步进电机302，控制器4的输出端通过电机驱动单元301与步进电机302的驱动端电连接，步进电机302的输出端与柱塞2传动相连。

生物芯片用试剂定量加入***还包括与摄像识别单元相配合的光源6。

所述计数器5和光源6的驱动端均与控制器4的输出端电连接。

利用本发明，只要从试剂腔1滴液口滴落的液滴数量控制准确，那么在液滴大小（体积）具有高度一致性的条件下，试剂定量加入反应器7的精度很高，多次平行加入试剂的CV值甚至可以达到2%以下。本发明能够实现试剂定量快速加入，并且在试剂腔1滴液口处无残留。

在本发明中，预设值的设定过程如下：首先，对于选定的试剂和试剂腔1滴液口，测定试剂从该试剂腔1滴液口处滴落的液滴体积，再根据需求的试剂总量，求得液滴预设值，其中液滴预设值等于需求的试剂总量除以滴液口处滴落的液滴体积。

可根据需要首先预制多种型号和规格的试剂腔1滴液口，以便满足不同的需求。

经过多次试验发现，本发明方法对微量试剂的定量精度高，重复性好，即便对于低至10μL量级的试剂，多次重复定量的CV值也可以轻易做到2%以下。而在现有技术中，本领域内试剂定量加入的CV值一般为5%~10%。

表1和表2示出了芯片实际测试过程中通过本发明方法实现微量试剂定量加入的实例及精度数据，称重分析结果表明，用本发明方法通过控制试剂滴数加入微量试剂的精度很高。

根据检验项目所需的试剂用量，对试剂腔1滴液口进行尺寸设计，即可得到大小合适的试剂液滴，最终只需要通过本发明方法对液滴数量进行控制即可实现微量试剂的高精度定量加入。

如某医学检验项目需要用到3种试剂，拟加入的目标试剂量均为50 μL，那么通过设计试剂腔1滴液口控制滴出的试剂液滴大小为17 μL左右，只需要3滴试剂即可满足50 μL的体积需求。研发过程中的某次验证试验对采用本发明方法加入50 μL左右上述3种试剂的精度分别进行了验证，结果见表1，表中各真实试剂的密度均接近于水。

由表1可见，经过设计后，滴液口可以控制上述3种试剂液滴的大小为17~18 μL，累积3滴即可满足50 μL左右的试剂用量需求。并且各试剂的加入精度都很高，15片芯片分别重复滴加的整体CV值均不超过2%。

此外，本发明方法对于低至10 μL量级微量试剂的定量仍然适用，且依然可以达到很高的精度。表2列举了一次验证实验中对某种10 μL量级试剂的20次定量数据。定量时采用本发明方法，通过试剂腔1滴滴液口控制该试剂液滴大小为10 μL左右，每次控制加入1滴即可。该试剂密度接近于水。

经过计算可知20次定量的平均值为0.0105 g（≈10.5 μL），且20次重复定量的CV值为1.70%，具有极高的定量精度。

本发明所提供的一种生物芯片用试剂定量加入方法及***具有以下优点：

（1）对微量试剂的定量精度高。同一试剂多次重复定量的体积误差小（CV≤2%），完全能够满足测试精度要求。

（2）适合一次性生物芯片使用。除了芯片本身是一次性的，其它配套部件都是固定在仪器上的，只需更换芯片即可实现对不同芯片上的试剂进行定量。

（3）不需要使用精密注射泵之类的昂贵精密部件，成本低廉。只需要使用一个普通电机，能够推动芯片试剂腔柱塞运动即可。

（4）试剂滴出过程中对液体试剂流速的稳定性要求很低，根本不需要通过精确调整和控制（注射泵）的流速来控制液滴大小。

（5）在液滴滴落过程中，并不关心实时滴落的液滴体积的大小，仅仅需要关注加入的液滴数量即可。

（6）预先设计了芯片滴液口的尺寸，可以确保同种试剂从不同芯片的相应滴液口滴出时液滴大小在误差允许的范围内。

本发明中的技术方案与现有技术方案存在本质区别。

如，CN1337572A公开了一种液滴分析装置，在于提供一种能够连续或者间断测出液滴瞬时体积的基于液滴体积的光学图像液滴分析装置，同时该装置还可以直接或者间接同时测出液体的多种物理、化学特性参数。总而言之，该液滴分析装置侧重对液滴的体积及液体其它参数进行分析，而本发明是要实现生物芯片内部微量试剂的定量，并不需要关心液滴的体积及液体性质，只需要对液滴数量进行计数即可，二者目的和实现方式均有较大差别。

又如，US4936828公开了一种液滴图像传感器，主要目的还是为了测定液滴的体积，而在试剂定量加入的过程中，本发明不需要测定液滴体积。

本发明提供了一种生物芯片用试剂定量加入方法及***，通过形成液滴的方式来实现试剂定量。试剂定量过程不需要对液滴的体积及其它性质进行分析计算，只需要对从生物芯片滴液口滴出的试剂液滴数量进行简单计数即可实现，不仅能够精确控制加入一次性生物芯片反应器内各试剂的量，而且试剂定量加入精度高，对生物芯片整体要求低，结构简单，成本低廉，易于实现。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种生物芯片用试剂定量加入方法，包括：

位移驱动单元（3）驱动生物芯片试剂腔（1）内的柱塞（2）以速度V1匀速向下移动；

其特征在于，

柱塞（2）匀速向下移动的过程中，计算从试剂腔（1）滴液口滴落的液滴的总数量；当液滴总数量等于预设值时，位移驱动单元（3）停止驱动柱塞（2）向下移动。

2.如权利要求1所述的生物芯片用试剂定量加入方法，其特征在于，当液滴总数量等于预设值减1时，位移驱动单元（3）驱动柱塞（2）以速度V2匀速向下移动，其中V2小于或等于V1。

3.如权利要求1或2所述的生物芯片用试剂定量加入方法，其特征在于，

在柱塞（2）匀速向下移动之前，预先在试剂腔（1）滴液口下方标定识别区（101）；

在柱塞（2）匀速向下移动的过程中，实时获取识别区（101）的图像，根据识别区（101）的图像识别结果判定是否有液滴滴落。

4.如权利要求3所述的生物芯片用试剂定量加入方法，其特征在于，当识别区（101）的图像灰度值经历了从小变大再从大变小的过程时，则判定有一液滴滴落。

5.如权利要求1所述的生物芯片用试剂定量加入方法，其特征在于，当液滴总数量等于预设值时，位移驱动单元（3）停止驱动柱塞（2）向下移动；同时，位移驱动单元（3）驱动柱塞（2）沿试剂腔（1）轴线向上移动一段距离。

6.如权利要求1所述的生物芯片用试剂定量加入方法，其特征在于，预设值由下述方法确定：

首先，制作试剂腔（1），当位移驱动单元（3）驱动生物芯片试剂腔（1）内的柱塞（2）以速度V1匀速向下移动时，计算从试剂腔（1）液滴口滴落的单滴液滴的体积m；

然后，用需要加入的目标试剂量除以m，得到的商取整即得到液滴预设值；其中，m小于或等于需要加入的目标试剂量。

7.一种生物芯片用试剂定量加入***，生物芯片的试剂腔（1）内设有柱塞（2），位移驱动单元（3）与柱塞（2）驱动相连，其特征在于，

还包括控制器（4）和用于计算从试剂腔（1）滴液口滴落的液滴总数的计数器（5），计数器（5）的输出端与控制器（4）的输入端电连接，控制器（4）的输出端与位移驱动单元（3）的控制端电连接，其中，

位移驱动单元（3）：用于根据控制器（4）的控制指令驱动柱塞（2）沿试剂腔（1）轴向匀速移动；

控制器（4）：用于发出控制指令至位移驱动单元（3）以控制柱塞（2）沿试剂腔（1）轴向匀速移动；并用于接收计数器（5）的检测数据，并在计数器（5）检测到的液滴总数量等于预设值时，发出控制指令至位移驱动单元（3）以控制柱塞（2）停止向下移动；

控制器（4）内预设有预设值。

8.如权利要求7所述的试剂定量加入***，其特征在于，

控制器（4）：还用于在计数器（5）检测到的液滴总数量等于预设值减1时，发出控制指令至位移驱动单元（3）以控制柱塞（2）以速度V2匀速向下移动，其中V2小于或等于柱塞（2）的初始速度V1。

9.如权利要求7或8所述的试剂定量加入***，其特征在于，所述计数器（5）为摄像识别单元，摄像识别单元的输出端与控制器（4）的输入端电连接；试剂腔（1）滴液口下方标定有识别区（101），其中，

摄像识别单元：用于实时获取识别区（101）的图像，并根据识别区（101）的图像识别结果判定是否有液滴滴落，以计算从试剂腔（1）滴液口滴落的液滴的总数量；

控制单元：用于根据摄像识别单元检测到的液滴总数量发出控制指令至位移驱动单元（3）。

10.如权利要求9所述的试剂定量加入***，其特征在于，当摄像识别单元检测到识别区（101）的图像灰度值经历了从小变大再从大变小的过程时，则判定有一液滴滴落。

11.如权利要求7所述的试剂定量加入***，其特征在于，

控制单元还用于在液滴总数量等于预设值时，发出控制指令至位移驱动单元（3）以驱动柱塞（2）沿试剂腔（1）轴线向上移动一段距离。

12.如权利要求7所述的试剂定量加入***，其特征在于，控制器内预设值的确定方法为：首先，制作试剂腔（1），当位移驱动单元（3）驱动生物芯片试剂腔（1）内的柱塞（2）以速度V1匀速向下移动时，计算从试剂腔（1）液滴口滴落的单滴液滴的体积m；然后，用需要加入的目标试剂量除以m，得到的商取整即得到液滴预设值；其中，m小于或等于需要加入的目标试剂量。